Разработка системы управления установкой для подготовки питьевой воды в животноводстве

Введение. Известно, что здоровье и продуктивность животных зависят не только от качественной кормовой базы, но и от правильной организации водообеспечения на фермах и пастбищах. Своевременное и в достаточных количествах потребление животными воды в сочетании с рациональным и полноценным кормлением способствует достижению их высокой продуктивности.

Научными исследованиями установлено, что на 1 кг сухого вещества корма крупный рогатый скот потребляет 4–6 литров воды [1]. С гигиенической точки зрения целесообразно удовлетворять животных питьевой водой вволю, давать ее многократно, лучше через равные промежутки времени.

Качество воды, используемой для животноводческих ферм, не всегда в полной мере отвечает санитарно-гигиеническим требованиям.

Природная вода, добываемая из различных источников (поверхностные водоемы, артезианские скважины), не бывает совершенно чистой. В процессе кругооборота на поверхности и в земле она соприкасается и взаимодействует с различными веществами. Также в воду попадают различные микроорганизмы, в том числе болезнетворные, которые могут быть причиной различных заболеваний. Поэтому не всякую воду можно употреблять не только для поения животных, но даже и для технических целей [1].

В типовых технологических линиях автопоения животных с привязным содержанием силовая часть электрических установок (насос, водонагреватель, бактерицидные установки) предназначена для получения, подготовки и доставки воды, а технологическая часть (трубопроводы, поилки, краны) – для распределения и подвода воды к каждому животному.

В существующих проектных решениях, например [2], насосные станции для нужд водоснабжения оснащены двумя бактерицидными установками ОВ-50 с лампами ДРТ2500, а на самих животноводческих предприятиях применяют проточную водонагревательную установку ВЭП-600, которая предназначена для подогрева питьевой воды в коровниках с поголовьем до 200 животных с привязным содержанием [3].

Недостатками данной системы являются: отсутствие обработки воды непосредственно перед поением, возможность повторного загрязнения воды в водонагревателе, отсутствие возможности регулирования эффекта обеззараживания в зависимости от водопотребления.

Для повышения эффективности работы автоматизированной системы подготовки питьевой воды в качестве управляющего устройства должно выступать само животное, вырабатывая управляющее воздействие, руководствуясь физиологическими потребностями и регулируя органом управления (нажимным элементом автопоилки) работу системы подготовки питьевой воды, заменяя таким образом функцию оператора.

Цель исследования . Разработка системы управления установкой для подготовки питьевой воды в животноводстве.

Задачи исследования : провести анализ современного состояния вопроса по типовому оборудованию для систем водоснабжения отрасли животноводства; разработать технологические режимы системы для автопоения животных, схему управления установкой для подготовки питьевой воды в животноводстве; дать техникоэкономическую оценку системы водоподготовки.

Материал и методы. При определении рациональных режимов работы установки по обеззараживанию воды для нужд животноводства установлено, что при соблюдении норм водопо-требления 80 л/сутки на корову в коровнике на каждые три поильные чаши необходимо применять ультрафиолетовую установку с бактерицидным потоком 4410 мбк. Исследования показали, что самым эффективным против бактерий E. coli является режим при времени работы установки 12 секунд и объеме воды 10 литров, что позволило сформулировать требования к режимам работы установки для группового поения крупного рогатого скота [4]. Исходя из того, что коровы пьют воду быстро – до 20 л в минуту, установка может обеспечить работу трех поильных чаш одновременно.

В работе [5] подробно описана разработанная авторами инновационная система обеззараживания питьевой воды на основе оптических электротехнологий. Предполагается, что разработанная бактерицидная установка вводится в систему водоснабжения коровника при проектировании или уже на существующую систему сельскохозяйственных предприятий, или на систему комплексов при реконструкции.

Система водоснабжения коровника предусматривает обеззараживание воды ульрафиоле-товым излучением непосредственно перед поением животного.

На рисунке 1 представлена система автопоения животных, позволяющая реализовать обеззараживание воды непосредственно перед поением, что способствует снижению риска заражения животных опасными бактериями и вирусами. Кроме того, имеется возможность регулирования эффекта обеззараживания в зависимости от требуемых объемов и без непосредственного участия человека, а отсутствие вредных примесей и осадков после обработки воды делает технологию привлекательной с экологической точки зрения [6].

Рис. 1. Система автопоения животных: 1 – источник воды; 2 – всасывающий трубопровод; 3 – насос; 4 – электродвигатель; 5 – водонагреватель; 6 – разводящий трубопровод; 7 – ультрафиолетовая установка; 8, 9, 10 – блоки бактерицидных ламп; 11 – подающий трубопровод; 12 – датчик расхода воды; 13, 14, 15 – поильные чаши; 16 – шкаф управления

Система работает следующим образом. Вода из источника воды 1 под нагнетенным давлением насоса 3 с электродвигателем 4 по всасывающе- му трубопроводу 2 поступает в водонагреватель 5, где нагревается до температуры 16–18°C. При воздействии на нажимной элемент поильных чаш

13 , 14 , 15 , включается в работу ультрафиолетовая установка 7 с тремя блоками бактерицидных ламп 8 , 9 , 10 , регулирование которыми осуществляется по мере увеличения необходимого объема воды при помощи сигнала датчика расхода воды 12 .

При воздействии на нажимной элемент поильной чаши 13 датчиком расхода воды 12 подается сигнал на ультрафиолетовую установку 7 , где блок бактерицидных ламп 8 выходит на первый рабочий режим. Далее под давлением подогретая вода из водонагревателя 5 поступает по разводящему трубопроводу 6 , затем в ультрафиолетовую установку 7 , где под воздействием бактерицидных лучей вода обеззараживается и поступает по подающему трубопроводу 11 в поильную чашу 13 .

Выход на второй рабочий режим происходит путем воздействия на нажимные элементы двух поильных чаш 13 и 14 одновременно. При помощи датчика расхода воды 12 подается сигнал на ультрафиолетовую установку 7 и происходит включение в работу блоков бактерицидных ламп 8 и 9. Аналогично под давлением подогретая вода из водонагревателя 5 поступает по разводящему трубопроводу 6, затем в ультрафиолетовую установку 7 и далее – по подающему трубопроводу 11 в поильные чаши 13 и 14.

Третий режим работы достигается путем воздействия на все три нажимных элемента поильных чаш 13 , 14 , 15 , в ультрафиолетовой установке 7 загораются три блока бактерицидных ламп 8 , 9 , 10 одновременно, тем самым увеличивается эффект обеззараживания.

Результаты исследования. Для данной системы была разработана принципиальная электрическая схема управления системой для подготовки питьевой воды в животноводстве, представленная на рисунке 2.

Она предусматривает включение и выключение водонагревателя через магнитный пускатель КМ1, насоса через пускатель КМ2; защиту водонагревателя, электродвигателя насоса и цепей управления от аварийных режимов автоматическими выключателями QF1…QF5; световую сигнализацию о работе сети, водонагревателя, насоса, ультрафиолетовой установки при помощи сигнальных ламп HL1… HL6.

Рис. 2. Принципиальная электрическая схема управления системой для подготовки питьевой воды в животноводстве

Работа установки осуществляется следующим образом. Включают вводный автоматический выключатель QF1, тумблер SA1 находится в положении «Авт.», трансформатор TV1 и диодный мост VD1…VD4 получают питание. Если температура воды в водонагревателе ниже заданной, то контакт ВК1 разомкнут, а на управляющий электрод симистора VS1 подается напряжение. Сими-стор открывается, и катушка магнитного пускателя КМ1 получает питание. Через замкнувшиеся силовые контакты КМ1 напряжение подается на ТЭНы. Одновременно загорается сигнальная лампа HL2. ТЭНы будут включены до тех пор, пока температура в водонагревателе не достигнет заданного значения, после чего замкнется контакт ВК1, симистор VS1 закроется и пускатель КМ1 обесточится.

Температуру воды в системе автопоилок коровника контролирует датчик ВК2, установленный у самой дальней автопоилки. Если температура воды в системе меньше заданной, то размыкается контакт ВК2, симистор VS2 открывается, напряжение подается на катушку КМ2 и электродвигатель насоса получает питание. Вода в системе автопоилок циркулирует до тех пор, пока ее температура не достигнет заданного значения.

Далее включаются автоматические выключатели QF5, загорается сигнальная лампа сети HL1. Затем включается QF4, который запитывает цепь управления ультрафиолетовой установкой EL1– EL3.

Включается автоматический выключатель QF3. При наличии сигнала с датчика давления ВР1 катушка магнитного пускателя КМ2 запитывается и замыкает контакт КМ2, включая в работу привод насоса двигателя М1. Загорается сигнальная лампа HL3.

Затем с датчика расхода воды ВА1-ВМ1 подается сигнал на катушку промежуточного реле KL1, которое замыкает контакт KL1 в цепи управления ультрафиолетовой установкой EL1. Включается сигнальная лампа HL4. При увеличении расхода сигнал подается с датчика расхода воды ВК2-ВМ2, и замыкаются контакты промежуточного реле KL2, KL3 в работу EL2, EL3. Загораются сигнальные лампы HL5, HL6.

В таблице 1 представлена спецификация элементов электрической принципиальной схемы.

Спецификация электрической принципиальной схемы

Таблица 1

Поз. обозначение	Наименование	Кол-во	Примечание
EK1	Водонагреватель De Luxe 3W60V	1	Объем бака 60 л
QF1	Автоматический выключатель IEK ВА47-29 3Р 25А С	1
QF2…QF3	Автоматический выключатель IEK ВА47-29 3Р 16А С	2
QF4…QF5	Автоматический выключатель IEK ВА47-29 1Р 2А С	2
KM1…KM2	Магнитный пускатель ПМЛ 1561ДМБ 380В	2
M1	Двигатель привода насоса Калибр НЦ-15/4	1	36/53/72 Вт
KL1…KL3	Промежуточное реле РПЛ-131 04А 220В	3
UZ1…UZ3	Электронный ПРА EB 118, T8 1×18Вт	3
EL…EL3	Бактерицидная лампа T5 4P-SE TUV	3	В комплекте с ЭПРА
TV1	Понижающий трансформатор ЯТП-0,25 220/12-2 36 УХЛ4	1
VD1…VD4	Диодный мост KBPC35-10	1
VS1…VS2	Симистор BT139-600E	2
BK1…BK2	Датчик температуры ABS Ti SHP CONTROL 50, 65	2	В комплекте с водонагревателем
R1…R3	Резистор CF-100 (С1-4) 1 Вт, 510 Ом, 5%	3
HL1…HL6	Сигнальная лампа AD16-22HS	6	Цвет: зеленый
SA1	Тумблер on/off 5A, 220 B	1
ВА1…ВМ1, BA2…BM2	Датчик расхода воды YF-S201	2

Для определения оптимального выбора оборудования и требуемых затрат на внедрение системы был проведен технико-экономический расчет. К техническим показателям относятся эффективность, надежность, удобство эксплуатации, долговечность. Основными экономическими пока- зателями являются капитальные вложения, затраты на эксплуатацию.

Технико-экономические показатели, ожидаемые в результате внедрения системы управления установкой для подготовки питьевой воды в животноводстве, представлены в таблице 2.

Таблица 2

Показатель	Величина
Установленная мощность оборудования, кВт	3,5
Годовое потребление электроэнергии, кВт·ч	30240
Объем капиталовложений, руб.	108810
Годовые эксплуатационные расходы, руб/год	99518,1
В.т.ч.: амортизационные отчисления, руб.	10881
затраты на текущий ремонт и обслуживание, руб.	4352,4
прочие затраты, руб.	9047,1
Затраты на типовой способ очистки [2], руб/год	207774,16
Срок окупаемости, месяцев	12

Технико-экономические показатели

Внедрение системы подготовки питьевой воды в животноводстве экономически целесообразно, так как срок окупаемости капитальных дополнительных вложений составляет 12 месяцев, что ниже нормативного срока окупаемости объекта энергетики (два года).

Выводы

• 1.    Анализ современного состояния вопроса по типовому оборудованию для системы водоснабжения отрасли животноводства показал, что к основным недостаткам системы относятся отсутствие водоподготовки непосредственно перед поением животных и невозможность регулирования эффекта обеззараживания в зависимости от объема водопотребления.

• 2.    Разработаны три технологических режима работы системы для автопоения животных, учитывающие объем водопотребления и подготовку воды.

• 3.    Разработанная схема управления установкой для подготовки питьевой воды в животноводстве реализует три технологических режима работы системы, которые регулируются при помощи датчиков давления и расхода воды. Электрическая схема предусматривает удаленный контроль над работой установки.

• 4.    Расчет капитальных вложений показал, что разработанная конструкция является экономиче-

• ски выгодной, так как срок окупаемости равен 12 месяцам, что ниже нормативного срока окупаемости объекта энергетики (два года).

В качестве направления дальнейшего исследования можно рекомендовать для очистки воды от солей применение электромагнитных способов с разработкой соответствующей технологии.